收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究

袁江波  
【摘要】:近年来,随着微机电系统和无线网络技术的不断发展,便携式微电子产品无论是在军事领域还是在民用工业领域都得到了广泛的应用,但以化学电池为微电子、无线网络和MEMS等低耗能器件的供能方式存在质量大、体积大(不利于电子产品微型化)、寿命有限、需定期更换以及由此产生的环境污染等诸多问题。因此,如何向微电子产品无线供能已经成为当前迫切需要解决的问题。基于压电能量转换的压电发电装置是解决此问题的一个行之有效的方法,通过压电发电装置俘获微电子器件工作环境中的振动能并将其转化为电能,从而实现为微电子器件无线供能。由于悬臂梁压电振子直接承载能力小,不能直接应用于高载环境中。针对此问题,本文将以承载能力大且不需任何附加装置就可直接应用于高载环境中的圆盘式压电发电装置为研究对象,针对几种典型的圆盘式压电发电装置的理论计算模型、结构分析和输出性能进行全面的研究。 钹型压电振子是一种典型的圆盘式压电换能器,本文首先以钹型压电发电装置为研究对象,根据碟簧理论和压电理论,建立了钹型压电发电装置的理论发电模型并进行了数值模拟分析。利用有限元手段分析了其主要结构参数对压电振子输出电压和谐振频率的影响关系,针对钹型压电振子存在环向应力集中而导致其力电转化效率降低的问题,提出了几种对钹型压电振子进行开槽结构的优化方式,分析了槽结构参数对其输出性能的影响关系并确定了其中发电性能最佳的开槽形式。在此基础上,为了研究压电振子结构与能量存储电路间的相互机电耦合作用,建立了钹型压电振子—能量存储电路多物理场机电耦合作用分析模型,并分析了振动频率和负载对压电发电装置输出性能的影响关系,为钹型压电发电装置的结构设计和优化提供理论依据。 接着以力电转化效率更高的鼓型压电发电装置为研究对象。利用薄板振动理论和压电理论,建立了鼓型压电换能器的谐振频率计算模型。将鼓型换能器作为压电振子进行压电发电性能研究,建立了鼓型压电发电装置发电性能的数学模型并进行数值模拟分析。对鼓型压电振子进行有限元仿真分析,获得了其关键结构参数对鼓型压电振子谐振频率和发电特性的影响规律,并在此基础上,对鼓型压电振子—能量存储电路进行了多物理场机电耦合作用仿真分析,为鼓型压电发电装置的实际应用提供了理论依据。 在综合考虑了这两种压电换能器的优点后,提出了一种钹鼓复合型压电换能器,它既具有钹型换能器高的承载能力还具有鼓型换能器高的机电能量转化效率。首先分析了钹鼓复合型换能器主要结构参数对其发电、变形性能和谐振频率的影响关系,以此确定换能器合理的结构尺寸参数;然后建立复合型压电振子—能量存储电路的机电耦合作用分析模型,针对负载和振动频率对压电发电装置输出性能的影响关系进行了研究。 综合前述章节的研究内容,根据压电振子的发电特点和实际需要,选择并设计了合理的能量存储电路;采用合理工艺制造了压电振子实验样机,最大程度地减小工艺环节的误差对压电振子各项性能指标的影响;最后分别对本文所研究的几种压电发电装置的发电性能进行实验测试。研究结果表明,压电发电装置输出功率随振动频率增加而增加;随负载的增大先增大后减小,存在一个最佳的匹配负载使输出功率达到最大,实验验证了理论分析的正确性。鼓型压电发电装置的能量密度最高,最大达到了980 W/m3,但相对钹型压电发电装置其承载能力小,不能直接工作于高载环境中,而钹鼓复合型压电发电装置既具有高的能量密度且具有高的承载能力,相比较来说是其中综合性能最优异的压电发电装置。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM619

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 胡洪平;高发荣;薛欢;胡元太;;低频螺旋状压电俘能器结构性能分析[J];固体力学学报;2007年01期
2 阚君武;唐可洪;王淑云;杨志刚;贾杰;曾平;;压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析[J];光学精密工程;2008年01期
3 崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,刘巍,赵泽;无线传感器网络研究进展[J];计算机研究与发展;2005年01期
4 曾平;刘艳涛;吴博达;程光明;杨志刚;阚君武;;一种新型压电式无线发射装置[J];吉林大学学报(工学版);2006年S2期
5 程光明;庞建志;唐可洪;杨志刚;曾平;阚君武;;压电陶瓷发电能力测试系统的研制[J];吉林大学学报(工学版);2007年02期
6 温志渝;温中泉;贺学锋;廖海洋;刘海涛;;振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用[J];机械工程学报;2008年11期
7 贺学锋;温志渝;温中泉;尚正国;刘海涛;廖海洋;;振动式压电发电机的理论模型与实验[J];纳米技术与精密工程;2007年04期
8 汤小川;张宇峰;张博;王喜莲;刘晓为;;基于MEMS技术的微型直接甲醇燃料电池的设计与制作[J];纳米技术与精密工程;2009年01期
9 李亚平;;一种基于微型无线传感网络的路由算法[J];微计算机信息;2007年23期
10 穆廷荣;压电陶瓷和金属构成的复合薄圆板的强迫振动——B:均匀声压策动[J];声学学报;1983年06期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 杜小振;环境振动驱动微型压电发电装置的关键技术研究[D];大连理工大学;2008年
2 杨增涛;新型压电器件的力电耦合分析与结构设计[D];中南大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 温中泉;微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究[D];重庆大学;2003年
2 张国良;压电振子在旋转机构上的发电能力的试验研究[D];吉林大学;2006年
3 龚立娇;基于压电材料的能量采集研究[D];南京航空航天大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 向天宇,郑建军;单向变厚度连续薄板的稳定计算[J];四川建筑科学研究;1999年03期
2 袁玉全;彭建设;向必纯;包兴明;;矩形薄板瞬态动力响应的DQ空-时半解析法研究[J];安徽大学学报(自然科学版);2010年01期
3 叶青;周鸣争;;基于“基站”通信原理的无线传感器网络认证技术[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2010年02期
4 余华;吕宁波;;基于无线传感器网络的农田信息管理系统的研究[J];安徽农业科学;2010年32期
5 冯立波;黄婷;罗桂兰;;基于WSN的森林火灾预警系统设计[J];安徽农业科学;2010年36期
6 徐智勇;吴自友;蔡聪;胡鹏;夏幼明;袁凌云;全鹏;邓冉;;物联网在现代烟草农业中的应用[J];安徽农业科学;2012年01期
7 张增林;郁晓庆;;基于无线传感器网络的农田土壤水分监测系统[J];安徽农业科学;2012年06期
8 杨润标;左国超;李娟;丁运芳;简亚琼;;基于无线传感网络和LabVIEW的洱海水质监测系统设计[J];安徽农业科学;2012年08期
9 张亚婷;丑修建;郭涛;熊继军;;振动驱动微能源技术研究进展[J];微纳电子技术;2012年04期
10 周欣竹;连续板自由振动的传递矩阵法[J];北方交通大学学报;1997年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周大杰;朱玉霞;杜红;刘锐;;物联网技术在环境监管能力建设中的应用研究[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集(第三卷)[C];2011年
2 魏振春;杨尚仁;;一种自适应实时无线传感器网络路由协议[A];2011中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2011年
3 梁莉;马旭;;轮毂型压电蠕动泵的结构设计与仿真[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
4 应祖光;;平面应变轴对称压电圆柱壳的随机响应[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
5 王考;陶俊勇;陈循;;单锤激励下气动式振动台的响应分析[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
6 贾兵;孙志峻;;超声制动器的研制[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年
7 王德石;杜贻群;任斌;;低频钹式换能器的性能分析与设计[A];第十二届全国非线性振动暨第九届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2009年
8 赵志宏;杨绍普;潘存治;陈恩利;;无线传感器网络在工业振动监测中的应用[A];第十二届全国非线性振动暨第九届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2009年
9 姚林泉;陈富军;刘昕;;压电层合板屈曲分析的HRBF无网格法[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
10 刘昊;;面向电子智能服装的人体无线传感器网络构建[A];“力恒杯”第11届功能性纺织品、纳米技术应用及低碳纺织研讨会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王希花;基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 罗汉江;海洋监测传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年
3 周鹏;水下传感器网络海上试验平台的研究与设计[D];中国海洋大学;2010年
4 窦亚玲;基于直觉模糊集的多约束网络路由决策方法研究[D];华中科技大学;2010年
5 蒋鼎国;无线传感器网络农业信息监控系统设计与数据融合研究[D];江南大学;2010年
6 高艺;能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究[D];南开大学;2010年
7 韩嵘;水泥基压电智能器件特性分析[D];北京交通大学;2010年
8 靳京;无线传感器网络移动组播QoS安全追踪算法研究[D];电子科技大学;2010年
9 魏博;无线传感器网络节能机制关键技术研究[D];解放军信息工程大学;2009年
10 杨靖;无线传感器网络中高能效数据收集协议的研究[D];江南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 叶青;基于可信的无线传感器网络认证技术的研究[D];安徽工程大学;2010年
2 纪江涛;基于传感器网络的智能交通系统模型应用研究[D];山东科技大学;2010年
3 荆宜青;QCM检测仪系统软件的优化设计与实现[D];郑州大学;2010年
4 杨伟伟;基于LEACH的WSN分簇路由协议研究[D];郑州大学;2010年
5 杜士锋;新型磨针机振动给料结构研究[D];郑州大学;2010年
6 朱玉芳;无线传感器网络中基于能量的发散簇树算法研究[D];郑州大学;2010年
7 林相君;基于Agent的无线传感器网络自律管理模型与应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 朱梅冬;基于ZigBee的森林火灾监测系统的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 党永;非谐振压电叠堆发电特性研究[D];大连理工大学;2010年
10 赵伟;基于测距的无线传感器网络定位及求精算法研究[D];大连理工大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 闫迎利;压电效应及其应用[J];安阳师范学院学报;2001年02期
2 张林涛,任天令,张武全,刘理天,李志坚;硅基PZT铁电薄膜的制备与性能研究[J];半导体技术;2001年01期
3 刘菁,赵建龙,金庆辉;BioMEMS和人体植入式生物微系统[J];微纳电子技术;2005年08期
4 李映平,赖百坛,陈荷娟,黄晓毛;一种新型的可蓄能压电电源原理研究[J];兵工学报;2004年04期
5 陈伟民,管德,诸德超,李敏;压电陶瓷晶片受迫振动分析及其应用[J];北京航空航天大学学报;2001年01期
6 王晓东;王涛;李楠;刘梦伟;崔岩;王立鼎;;一种MEMS微结构谐振频率的测试技术[J];传感技术学报;2006年05期
7 唐亚鸣,丁鑫,张河;桥梁监测无线传感压电电源[J];传感器技术;2003年09期
8 邱成军,孟丽娜,刘红梅,曹茂盛;溅射PZT薄膜微驱动器的工艺研究[J];传感器技术;2004年09期
9 王西成,曹伟,田杰,莫小洪;高取向度PZT铁电薄膜的研制[J];材料工程;1999年02期
10 王明勇,郎志坚,李国军;方形磁体的空间磁场分布[J];磁性材料及器件;2001年03期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 温中泉;微型振动式发电机的基础理论及关键技术研究[D];重庆大学;2003年
2 张兴国;PZT铁电薄膜的制备与研究[D];江苏大学;2005年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姜德龙;程光明;曾平;庞建志;;悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究[J];机械设计与制造;2011年01期
2 袁江波;谢涛;陈维山;肖娜;;悬臂梁压电发电装置的实验研究[J];振动与冲击;2009年07期
3 闫世伟;杨志刚;罗洪波;菅新乐;廖志勇;;TPMS用压电发电装置研究[J];压电与声光;2010年05期
4 阚君武;彭太江;唐可洪;杨志刚;邵承会;;两腔压电泵结构与特性[J];压电与声光;2006年01期
5 孙静;;ANSYS有限元分析在压电泵研究中的应用[J];技术与教育;2009年01期
6 杨义祥;;计算机辅助的压电振子滤波器综合法设计与分析[J];宇航计测技术;1982年05期
7 杨志刚;孙晓锋;张德君;程光明;李欣欣;;双腔串联两阀与三阀压电泵的性能研究[J];光学精密工程;2007年02期
8 徐辑;太阳能直接驱动汽轮机发电装置问世[J];江西能源;2000年01期
9 江志勇,王春云;化石燃料发电装置及其清洁工艺的研究动态[J];化肥设计;2002年05期
10 ;7号高炉煤气余压(TRT)发电装置成功并网发电[J];柳钢科技;2005年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 徐敏;丛健生;王秀明;;圆形活塞压电振子带通Q值的ANSYS分析[A];中国声学学会第九届青年学术会议论文集[C];2011年
2 韩邦成;程光明;吴博达;曾平;杨志刚;吴献威;;压电多自由度马达研究[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
3 程振兴;张晓君;张兆德;;浙江省潮汐能利用的现状与发展前景[A];第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集[C];2009年
4 杨家宽;张建锋;李进军;肖波;;太阳能烟囱发电装置建造和试验研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
5 赵增辉;王育平;赵向东;;行波超声电机压电振子的机电耦合动力学模型分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
6 张学义;;汽车用稀土永磁直流发电装置技术设计[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年
7 程光明;吴博达;杨志刚;曾平;;不对称振动波初步分析[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
8 张学义;耿松亮;;汽车用永磁激磁直流发电装置的技术研究[A];制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集[C];2002年
9 罗振兵;夏智勋;;压电式合成射流激励器计算模型[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 罗振兵;夏智勋;;压电式合成射流激励器计算模型——罗-夏模型[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 国家海洋技术中心主任 罗续业;我国潮流能开发利用前景光明[N];中国海洋报;2010年
2 王梅;以节能技术装备促进钢铁工业发展[N];现代物流报;2006年
3 倪守生;高炉煤气余压透平发电装置(TRT)的应用与发展[N];世界金属导报;2004年
4 陈惟;我风能发电装置接近500万千瓦[N];文汇报;2007年
5 记者 张猛实习生 周雄云;弥勒农民发明池塘发电机获专利[N];昆明日报;2008年
6 王梅;提升节能技术装备促进钢铁工业发展[N];中国质量报;2006年
7 秦夏 梁雅玲 石东晖;陕鼓进入水泥窑低温余热发电装置总包领域[N];中国工业报;2009年
8 记者 李于伯通讯员 黄奋敏;风能发电研发基地呼之欲出[N];中山日报;2008年
9 郑茜;安钢节能项目喜获国家财政奖励[N];安阳日报;2007年
10 记者 王敏 邵启明 通讯员 陈嫣;南钢自发电比例超4成[N];中国冶金报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 袁江波;圆盘式压电发电装置发电性能及其关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 闫世伟;胎压报警器用压电供电系统设计与实验研究[D];吉林大学;2010年
3 孙景阳;压电式骨传导听觉装置振动器结构设计与试验研究[D];吉林大学;2010年
4 杨树臣;喷流压电泵的理论分析与试验研究[D];吉林大学;2006年
5 刘后广;新型人工中耳压电振子听力补偿的理论与实验研究[D];上海交通大学;2011年
6 罗振兵;合成射流/合成双射流机理及其在射流矢量控制和微泵中的应用研究[D];国防科学技术大学;2006年
7 袁晓红;汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究[D];武汉理工大学;2012年
8 印建安;高炉煤气余压发电装置中炉顶压力稳定性分析与控制试验研究[D];浙江大学;2003年
9 杜小振;环境振动驱动微型压电发电装置的关键技术研究[D];大连理工大学;2008年
10 朱幼君;管道空腔流声耦合振荡及压电振子流动控制技术的研究[D];上海交通大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王军龙;基于压电材料的振动发电装置的研究[D];江苏大学;2010年
2 王磊;多谐振频率压电振动能量回收结构特性及实验研究[D];北京交通大学;2010年
3 颜振方;Cymbal压电振动能量采集器的发电性能研究[D];华南理工大学;2012年
4 李彦鹏;弹性支撑式圆形压电振子骨传导听觉装置的研究[D];吉林大学;2011年
5 柳杰;中间固定支撑式压电骨传导听觉装置关键技术研究[D];吉林大学;2012年
6 卢西山;引信微机电气动换能器设计及性能数值分析[D];南京理工大学;2012年
7 房目稳;压电俘能器俘能性能数学建模及仿真分析[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 姬玉芳;基于压电效应的压电发电技术研究[D];中北大学;2011年
9 彭敏强;实现宽频响应的微小型压电式振动能量采集技术研究[D];中南大学;2011年
10 菅新乐;基于压电陶瓷的汽车轮胎压力监测系统无源化研究[D];吉林大学;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026